ПЕРЕПУСКНОЕ УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДЯЩЕГО ТЕПЛА Российский патент 2015 года по МПК F02G5/02 F02M25/07 F02B37/18 

Область техники

Настоящее изобретение относится к перепускным устройствам и, более конкретно, к перепускным устройствам для систем утилизации отходящего тепла, устанавливаемых на выходе двигателей.

Уровень техники

Основной проблемой при разработке систем утилизации отходящего тепла для тяжелых и средних грузовиков является необходимость подачи тепла в системы последующей обработки отработавших газов. Например, для обеспечения надлежащей работы и регенерации каталитических устройств, используемых в таких системах, необходимо тепло. Системы утилизации отходящего тепла извлекают тепло из отработавших газов, которое иначе попадало бы в эти каталитические устройства. Часто требуется подавать тепло в каталитическое устройство вместо его утилизации, например, в процессе регенерации, когда катализатор должен работать при низкой нагрузке двигателя или в случае работы холодного двигателя.

В публикации заявки US US 2005/0188682 (Fledersbacher) описывается перепускное устройство турбины с изменяемой геометрией, когда необходим ускоренный нагрев устройства очистки в системе выпуска отработавших газов. Недостаток такой схемы заключается в том, что перепускное устройство турбины влияет на процесс сгорания топлива в двигателе. Авторами также была обнаружена возможность предотвращения такого влияния на процесс сгорания, когда необходимо обеспечить дополнительное тепло для некоторого компонента в тракте выпуска отработавших газов.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предлагается перепускное устройство системы утилизации отходящего тепла, содержащее: трубопровод, имеющий первый конец и второй конец, приспособленные для подсоединения по потоку выше и ниже, соответственно, системы утилизации отходящего тепла; клапан в трубопроводе, которым можно управлять для его открытия и закрытия; и контроллер, выполненный с возможностью управления клапаном для его открытия в ответ на первый сигнал и закрытия в ответ на второй сигнал.

В настоящем изобретении также предлагается установка дизельного двигателя, содержащая: дизельный двигатель; систему утилизации отходящего тепла в первом трубопроводе, подсоединенном к двигателю для приема из него отработавших газов; и перепускное устройство системы утилизации отходящего тепла, содержащее: второй трубопровод, имеющий первый конец и второй конец, подсоединенные к первому трубопроводу по потоку выше и ниже, соответственно, системы утилизации отходящего тепла; клапан во втором трубопроводе, которым можно управлять для его открытия и закрытия; и контроллер, выполненный с возможностью управления клапаном для его открытия в ответ на первый сигнал и закрытия в ответ на второй сигнал.

В настоящем изобретении также предлагается способ обхода (перепуска) системы утилизации отходящего тепла, включающий: измерение температуры газа в первом трубопроводе, в котором установлена система утилизации отходящего тепла; и обеспечение обхода системы утилизации отходящего тепла, когда измеряемая температура ниже первой температуры.

Краткое описание чертежей

Особенности и положительные качества настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с нижеприведенным подробным описанием со ссылками на чертежи, на которых одинаковые элементы указаны одинаковыми ссылочными номерами и на которых показано:

на фиг.1 - схема оборудования дизельного двигателя, в котором используется перепускное устройство системы утилизации тепла по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг.2 - схема оборудования дизельного двигателя, в котором используется перепускное устройство системы утилизации тепла по другому варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг.3 - схема оборудования дизельного двигателя, в которой используется перепускное устройство системы утилизации тепла еще по одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 и 2 представлены варианты оборудования дизельного двигателя по настоящему изобретению. Установка дизельного двигателя 21 содержит систему 23 утилизации отходящего тепла, размещенную в первом трубопроводе 25, соединенном с двигателем для приема отработавших газов двигателя, и перепускное устройство системы утилизации отходящего тепла. "Система утилизации отходящего тепла" определяется в настоящем описании как устройство, дополнительное к турбонагнетателю, которое обеспечивает извлечение тепловой энергии из отработавших газов двигателя, такое как устройство, работающее по циклу Ренкина, термоэлектрическое устройство, в котором используется эффект Пельтье, аккумулятор расплава солей и т.п.

Перепускное устройство 27 системы утилизации отходящего тепла, показанное на фиг.1, содержит второй трубопровод 29, имеющий первый конец 31 и второй конец 33, подсоединенные к первому трубопроводу 25 по потоку, соответственно, выше и ниже системы 23 утилизации отходящего тепла. Перепускное устройство 27' системы утилизации отходящего тепла, показанное на фиг.2, также содержит второй трубопровод 29', имеющий первый конец 31' и второй конец 33', подсоединенные к первому трубопроводу 25 по потоку, соответственно, выше и ниже системы 23 утилизации отходящего тепла. Первый конец 31 второго трубопровода 29, показанного на фиг.1, подсоединен по потоку ниже турбины 35 турбонагнетателя 37, в то время как первый конец 31' второго трубопровода 29', показанный на фиг.2, подсоединен по потоку выше турбины турбонагнетателя.

В вариантах, представленных на фиг.1 и 2, перепускное устройство 27 системы утилизации тепла содержит также во втором трубопроводе 29 клапан 39. Управление клапаном 39 для его открытия и закрытия может осуществлять контроллер 41, такой как компьютер, микропроцессор и т.п. Контроллер 41 выполнен с возможностью управления клапаном 39 для его открытия в ответ на первый сигнал и закрытия в ответ на второй сигнал.

В вариантах, представленных на фиг.1 и 2, первый трубопровод 25 является трубопроводом выпуска отработавших газов двигателя. В качестве систем утилизации отходящего тепла могут использоваться системы, которые в отличие от турбины турбонагнетателя не оказывают или почти не оказывают никакого влияния на процесс сгорания топлива в двигателе. Это особенно справедливо в отношении системы 23 утилизации отходящего тепла в трубопроводе 25 выпуска отработавших газов, показанной на фиг.1 и 2.

Вышеуказанным первым сигналом может быть сигнал, вырабатываемый датчиком, таким как датчик 43 температуры, соединенный с устройством 45, расположенным по потоку ниже системы 23 утилизации отходящего тепла, таким как каталитическая система последующей обработки, хотя клапаном 39 можно управлять для его открытия в ответ и на другие сигналы, относящиеся к любым явлениям, представляющим интерес, таким как, например, характеристика отработавших газов или происшедшее событие, такое как истечение временного интервала. Однако в рассматриваемом варианте в качестве датчика используется датчик 43 температуры. Датчик 43 температуры может быть установлен в первом трубопроводе 25 по потоку выше или ниже устройства 45 или внутри него. Когда должна осуществляться работа или регенерация каталитической системы 45 последующей обработки, то если датчик 43 передает сигнал, указывающий на то, что температура слишком низка для надлежащей работы или регенерации каталитической системы, контроллер 41 может передать сигнал в клапан 39 для его открытия, чтобы отработавшие газы обходили систему 23 утилизации отходящего тепла, так что температура по потоку ниже системы 23 повысится. Подобно первому сигналу второй сигнал может относиться к любому явлению, представляющему интерес, такому как сигнал, поступающий из датчика 43 температуры, который указывает на то, что достигнута температура, необходимая для работы или регенерации каталитической системы 45 последующей обработки, или сигнал таймера (не показан), который может быть частью контроллера, указывающий на истечение заданного интервала времени. При использовании вместе с устройством 45, таким как каталитическая система последующей обработки, датчик температуры обычно устанавливают по потоку ниже системы 23 утилизации отходящего тепла и, более конкретно, по потоку ниже точки, в которой второй конец 33 второго трубопровода 29 соединяется с первым трубопроводом 25.

Для ограничения потока текучей среды, проходящей через систему 23 утилизации отходящего тепла, может также использоваться второй клапан 47, и управление этим клапаном для его открытия в ответ на третий сигнал и закрытия в ответ на четвертый сигнал может осуществляться контроллером 41. На фиг.1 и 2 показано, что второй клапан 47 расположен в первом трубопроводе 25 по потоку выше системы 23 утилизации отходящего тепла и ниже точки, в которой первый конец 31 второго трубопровода соединяется с первым трубопроводом. Однако второй клапан может быть установлен по потоку ниже системы утилизации отходящего тепла или внутри нее. Второй клапан 47 может быть закрыт, когда клапан 39 открывается, для улучшения потока текучей среды через перепускное устройство 27, препятствуя прохождению текучей среды через систему 23 утилизации отходящего тепла. На фиг.1 показано, что второй клапан 47 расположен по потоку ниже турбины 35, в то время как на фиг.2 он расположен по потоку выше турбины 35.

В качестве четвертого сигнала на закрытие второго клапана 47 может использоваться первый сигнал на открытие клапана 39 или некоторый другой сигнал, такой как сигнал, вырабатываемый датчиком температуры, находящимся на некотором расстоянии от датчика 43 температуры. В качестве третьего сигнала на открытие второго клапана 47 может использоваться второй сигнал на закрытие клапана 39 или некоторый другой сигнал. Конструкции клапана 39 и второго клапана 47 могут обеспечивать возможность регулируемого открытия или закрытия этих клапанов в зависимости от требуемой степени перепуска потока отработавших газов. Например, степень открытия клапанов может регулироваться таким образом, чтобы через перепускное устройство 27 и систему 23 утилизации отходящего тепла проходили некоторые потоки. Если второй клапан отсутствует, возможно, следует выполнить перепускное устройство 27 таким образом, чтобы поток текучей среды через перепускное устройство обеспечивался, например, путем обеспечения меньшего сопротивления потоку через перепускное устройство, когда клапан 39 открыт, по сравнению с сопротивлением потоку, которое обычно создает система утилизации отходящего тепла.

На фиг.3 представлен вариант оборудования дизельного двигателя, в котором первым трубопроводом 25'' является магистраль системы рециркуляции отработавших газов (РОГ). Система 23 утилизации отходящего тепла установлена в первом трубопроводе 25''. Перепускное устройство 27'' системы утилизации отходящего тепла содержит второй трубопровод 29'', имеющий первый конец 31'' и второй конец 33'', подсоединенные к первому трубопроводу 25'' по потоку, соответственно, выше и ниже системы утилизации отходящего тепла. Во втором трубопроводе 29'' обеспечивается клапан 39''. Управление клапаном 39'' для его открытия и закрытия осуществляет контроллер 41. Контроллер 41 выполнен таким образом, что он обеспечивает открытие клапана 39'' в ответ на первый сигнал, указывающий, например, на то, что температура потока системы РОГ ниже требуемой минимальной температуры, и закрытие этого клапана в ответ на второй сигнал, указывающий, например, на то, что температура потока системы РОГ находится на требуемом уровне или выше требуемой максимальной температуры.

Может также использоваться второй клапан 47'' для ограничения потока текучей среды, проходящей через систему 23 утилизации отходящего тепла, и управление этим клапаном для его открытия в ответ на третий сигнал и закрытия в ответ на четвертый сигнал может осуществляться контроллером 41. В качестве третьего и четвертого сигналов могут использоваться второй и первый сигналы, соответственно, или же могут использоваться другие сигналы, определяемые некоторыми характеристиками или событиями. На фиг.3 показано, что второй клапан 47'' расположен в первом трубопроводе 25'' по потоку выше системы 23 утилизации отходящего тепла и ниже точки, в которой первый конец 31'' второго трубопровода 29'' соединяется с первым трубопроводом, однако второй клапан может быть установлен по потоку ниже системы утилизации отходящего тепла или внутри нее. Второй клапан 47'' может быть закрыт, когда клапан 39'' открывается, для улучшения потока текучей среды через перепускное устройство 27'', препятствуя прохождению текучей среды через систему 23 утилизации отходящего тепла.

В настоящем изобретении предлагается также способ обхода (перепуска) системы 23 утилизации отходящего тепла, в котором измеряют температуру газа в первом трубопроводе 25, в котором находится система утилизации отходящего тепла. Если измеренная температура ниже первой температуры, например температуры, необходимой для обеспечения работы или регенерации каталитической системы 45 последующей обработки, осуществляется обход системы 23 утилизации отходящего тепла. Обход системы 23 утилизации отходящего тепла может быть прекращен, например, через заданный временной интервал, такой как интервал времени, необходимый для регенерации каталитической системы 45, или когда измеряемая температура будет равна или выше второй температуры. Способ может включать обход турбины 36 или турбонагнетателя 37 по потоку выше системы 23 утилизации отходящего тепла одновременно с обходом этой системы 23. Обход системы 23 утилизации отходящего тепла может осуществляться с помощью перепускного устройства 27 (или 27', или 27'') путем открытия клапана 39 (или 39'') во втором трубопроводе, первый конец которого подсоединен к первому трубопроводу по потоку выше системы 23 утилизации отходящего тепла и второй конец которого подсоединен к первому трубопроводу по потоку ниже системы 23. Систему 23 утилизации отходящего тепла можно также обходить путем закрытия второго клапана 47 (или 47'') в первом трубопроводе 25 (или 25'') по потоку выше системы 23 в сочетании с открытием клапана 39 (или 39'').

В настоящем описании такие указания, как "включающий", используются в широком смысле так же, как и указания "содержащий", и не исключают наличия других структур, материалов или действий. Аналогично, такие слова, как "может", используются в настоящем описании в широком смысле и означают, что указанные структуры, материалы или действия не являются необходимыми, и если такие слова не используются, то это не означает, что указанные структуры, материалы или действия являются существенными. Если структуры, материалы или действия являются существенными, то это указывается в описании в явной форме.

Изобретение иллюстрируется в настоящем описании на примере одного из предпочтительных вариантов его осуществления, однако при этом следует иметь в виду, что в него могут быть внесены различные изменения и модификации без выхода за пределы объема изобретения, определяемого нижеприведенной формулой.

Изобретение может быть использовано в перепускных устройствах для систем утилизации отходящего тепла двигателей внутреннего сгорания. Перепускное устройство (27) системы (23) утилизации отходящего тепла содержит перепускной трубопровод с клапаном (39), датчик температуры в трубопроводе, контроллер (41) и второй клапан (47). Перепускной трубопровод имеет первый и второй концы, приспособленные для подсоединения по потоку выше и ниже, соответственно, системы (23) утилизации отходящего тепла. Клапаном (47) можно управлять для его открытия и закрытия. Датчик температуры в трубопроводе выполнен с возможностью передачи первого сигнала, когда температура в трубопроводе ниже первой заданной температуры, и передачи второго сигнала, когда температура в трубопроводе выше второй заданной температуры. Контроллер (41) выполнен с возможностью управления клапаном (39) для его открытия в ответ на первый сигнал и закрытия в ответ на второй сигнал. Второй клапан (39) предназначен для ограничения потока текучей среды, проходящей через систему (23) утилизации отходящего тепла. Управление вторым клапаном (47) осуществляется контроллером (41) для его открытия в ответ на третий сигнал и закрытия в ответ на четвертый сигнал. Второй клапан (47) установлен по потоку выше системы (23) утилизации отходящего тепла. Раскрыты установка дизельного двигателя, содержащая систему утилизации отходящего тепла с перепускным устройством системы утилизации отходящего тепла, и способ перепуска системы утилизации отходящего тепла. Технический результат заключается в предотвращении влияния перепускного устройства на процесс сгорания топлива в двигателе, когда необходимо обеспечить дополнительное тепло для компонента в тракте выпуска отработавших газов. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Перепускное устройство системы утилизации отходящего тепла, содержащее:
перепускной трубопровод, имеющий первый и второй концы, приспособленные для подсоединения по потоку выше и ниже, соответственно, системы утилизации отходящего тепла;
клапан в указанном трубопроводе, которым можно управлять для его открытия и закрытия;
датчик температуры в трубопроводе, подсоединенном к системе утилизации отходящего тепла, причем датчик температуры выполнен с возможностью передачи первого сигнала, когда температура в трубопроводе ниже первой заданной температуры, и передачи второго сигнала, когда температура в трубопроводе выше второй заданной температуры;
контроллер, выполненный с возможностью управления указанным клапаном для его открытия в ответ на первый сигнал и закрытия в ответ на второй сигнал; и
второй клапан для ограничения потока текучей среды, проходящей через систему утилизации отходящего тепла, причем управление вторым клапаном осуществляется контроллером для его открытия в ответ на третий сигнал и закрытия в ответ на четвертый сигнал, и второй клапан приспособлен для установки по потоку выше системы утилизации отходящего тепла.

2. Перепускное устройство системы утилизации отходящего тепла по п. 1, которая установлена в трубопроводе выпуска отработавших газов двигателя.

3. Перепускное устройство системы утилизации отходящего тепла по п. 1, которая установлена в трубопроводе системы рециркуляции отработавших газов.

4. Установка дизельного двигателя, содержащая:
дизельный двигатель;
систему утилизации отходящего тепла в первом трубопроводе, подсоединенном к двигателю для приема из него отработавших газов; и
перепускное устройство системы утилизации отходящего тепла, содержащее второй трубопровод, имеющий первый конец и второй конец, подсоединенные по потоку выше и ниже, соответственно, системы утилизации отходящего тепла, клапан, размещенный во втором трубопроводе с возможностью управления им для его открытия и закрытия, датчик температуры, установленный по потоку ниже системы утилизации отходящего тепла и выполненный с возможностью передачи первого сигнала, когда температура в первом трубопроводе ниже первой заданной температуры, и передачи второго сигнала, когда температура в первом трубопроводе выше второй заданной температуры, и контроллер, выполненный с возможностью управления клапаном для его открытия в ответ на первый сигнал и закрытия в ответ на второй сигнал.

5. Установка дизельного двигателя по п. 4, в которой первый трубопровод является трубопроводом выпуска отработавших газов двигателя.

6. Установка дизельного двигателя по п. 4, в которой первый трубопровод является трубопроводом системы рециркуляции отработавших газов.

7. Установка дизельного двигателя по п. 4, содержащая второй клапан для ограничения потока текучей среды, проходящей через систему утилизации отходящего тепла, причем управление вторым клапаном осуществляется контроллером для его открытия в ответ на третий сигнал и закрытия в ответ на четвертый сигнал.

8. Установка дизельного двигателя по п. 7, в которой второй клапан установлен в первом трубопроводе по потоку выше системы утилизации отходящего тепла.

9. Установка дизельного двигателя по п. 4, содержащая турбину турбонагнетателя, расположенную по потоку выше системы утилизации отходящего тепла.

10. Установка дизельного двигателя по п. 9, в которой первый конец второго трубопровода подсоединен к первому трубопроводу по потоку выше турбины.

11. Установка дизельного двигателя по п. 9, в которой первый конец второго трубопровода подсоединен к первому трубопроводу по потоку ниже турбины.

12. Установка дизельного двигателя по п. 4, содержащая в первом трубопроводе датчик температуры, установленный по потоку ниже системы утилизации отходящего тепла и обеспечивающий первый сигнал, когда температура текучей среды в первом трубопроводе ниже первой температуры.

13. Способ перепуска системы утилизации отходящего тепла, включающий:
измерение температуры газа в первом трубопроводе, в котором установлена система утилизации отходящего тепла; и
обеспечение обхода системы утилизации отходящего тепла, если измеряемая температура ниже первой температуры, путем закрытия клапана, установленного в первом трубопроводе по потоку выше системы утилизации отходящего тепла, и открытия клапана во втором трубопроводе, первый конец которого подсоединен к первому трубопроводу по потоку выше системы утилизации отходящего тепла, а второй конец подсоединен к первому трубопроводу ниже системы утилизации отходящего тепла.

14. Способ по п. 13, включающий прекращение обхода системы утилизации отходящего тепла по истечении заданного времени.

15. Способ по п. 13, включающий прекращение обхода системы утилизации отходящего тепла, когда измеряемая температура превышает вторую температуру.

16. Способ по п. 13, включающий обеспечение обхода турбины турбонагнетателя, расположенной по потоку выше системы утилизации отходящего тепла.